(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータと、この駆動モータで駆動される圧縮機と、この圧縮機の吸込み流量を制御する吸込み絞り弁と、この圧縮機から吐出されるガスの一部を前記圧縮機の吸込み側へ戻す配管に介在させたアンチサージバルブとを有するモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置において、
前記圧縮機の設計仕様データが入力される入力部と、この設計仕様データを格納するデータ設定部と、このデータ設定部に格納されたデータに基づき前記圧縮機の非定常なＱ−Ｈ特性および必要駆動トルクを計算可能なシミュレーション部と、このシミュレーション部がシミュレーションした非定常なＱ−Ｈ特性および必要駆動トルク結果を表示する表示部とを備えることを特徴とするモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置。
【請求項２】
前記シミュレーション部は、前記駆動モータを数値モデル化した駆動モータユニットモデルと、前記圧縮機を数値モデル化した圧縮機ユニットモデルと、前記吸込み絞り弁を数値モデル化した吸込み絞り弁ユニットモデルと、前記アンチサージバルブを数値モデル化したアンチサージバルブユニットモデルと、前記アンチサージバルブと前記圧縮機の吸込み側の間に設けた熱交換器を数値モデル化した熱交換器ユニットモデルと、前記アンチサージバルブを制御するアンチサージバルブコントローラを数値モデル化したアンチサージバルブコントローラユニットモデルを備え、前記圧縮機ユニットモデルは前記圧縮機の作動点と必要駆動トルクを非定常に算出し、前記駆動モータユニットモデルは、前記駆動モータのトルク特性曲線と前記圧縮機の必要駆動トルク計算結果から前記圧縮機の非定常な挙動を算出することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置。
【請求項３】
前記シミュレーション部は、算出した圧縮機作動点と必要駆動トルクの非定常挙動から前記圧縮機の始動運転時の作動点と必要駆動トルクを求め、前記駆動モータのトルクマージンと前記圧縮機のターンダウンが予め定めた許容値以下か否かを判断する判断手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置。
【請求項４】
前記シミュレーション部が有する前記圧縮機ユニットモデルは、以下の式３ないし式６で表される数値モデルを有し、前記駆動モータユニットモデルは以下の式７で表される数値モデルを有し、前記吸込み絞り弁ユニットモデルは以下の式８で表される数値モデルを有し、前記アンチサージバルブユニットモデルは、以下の式９に示す数値モデルを有することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置。
【数１】
0005514047.tif 000018
【数２】
0005514047.tif 000019
【数３】
0005514047.tif 000020
【数４】
0005514047.tif 000021
【数５】
0005514047.tif 000022
【数６】
0005514047.tif 000023
【数７】
0005514047.tif 000024
ここで、添え字１は入り口を、２は出口を表す。
【請求項５】
駆動モータと、この駆動モータで駆動される圧縮機と、この圧縮機の吸込み流量を制御する吸込み絞り弁と、この圧縮機から吐出されるガスの一部を前記圧縮機の吸込み側へ戻す配管に介在させたアンチサージバルブとを有するモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション方法であって、
前記モータ駆動式圧縮機システムを構成する各構成要素を数値モデルを含むユニットモデル化し、このユニットモデル化した各構成要素について非定常な挙動を計算し、この計算結果から前記圧縮機の始動時の非定常な作動点および必要駆動トルクの挙動を求め、その結果から前記駆動モータのトルクマージンと前記圧縮機のターンダウンが予め定めた許容値以下か否かを定め、この圧縮機の始動の可否を判断することを特徴とするモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動式圧縮機を有するシステムのシミュレーション装置および方法に係り、特に始動可否を判定するのに好適なモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油科学分野等のプロセスガスを取り扱うターボ圧縮機システムでは、システムの小型化や拡張性等の観点から、モータ駆動ターボ圧縮機が使用されている。このようなモータ駆動ターボ圧縮機を有するシステムでは、新規設備の導入時やプラントの運転条件変更の際に、圧縮機を定格運転まで立ち上げるスタートアップ（始動運転）により、プラントの安全な起動を確認する。この実際の確認に先立ち、プラントを設計する段階では、圧縮機を含むシステムがサージングや駆動トルク不足等で始動できない事態を回避できるように、各機器の容量を十分な余裕を持って構成していた。例えば、定格運転までの立ち上げを達成できるよう、圧縮機の始動運転に必要な駆動トルクや駆動モータの必要容量等を算定し、圧縮機システムを構築していた。
【０００３】
また、複雑なプロセス等の場合には、訓練シミュレータを用いて実際の運用前に運用方法を把握することもある。このような例が、特許文献１に記載されている。この特許文献１では、模擬精度を向上させるために、圧縮機のプロセス動作を数値演算で模擬するシミュレータにおいて、圧縮機に流入されるガスのプロセス値および圧縮機の入出力に設けられた各種弁の特性値を変数とする出力プロセス値に係る複数の関数からなる連立方程式を、数値演算で解いて圧縮機の出力プロセス値を出力している。
【０００４】
一方、圧縮機システムにおいて、設備費の低減と最適設計が十分に図れるように、インレットガイドベーンとアンチサージバルブとを備えたモータ駆動式圧縮機において、サージラインと平行でかつアンチサージ制御ラインよりも運転側に立上用制御ラインを設定し、立上時はこのラインに沿って運転することが特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３３３５４１号公報
【特許文献２】特開２００９−４７０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１、２に記載の圧縮機システムでは、いずれも圧縮機が最適設計で設計されたという仮定の下で、以下にサージングを起こすことなく、かつ低コストで圧縮機システムを運転するかについて考慮されている。しかしながら、プロセス圧縮機システムでは季節変化や取り扱う気体の種類等により、圧縮機の作動条件が大きく変化する。そのため、最適設計に用いた条件でない条件下で起動せざるを得ないときには、必ずしも最適な運転とはなっていない。
【０００７】
つまり、実際の圧縮機システムの運転では、圧縮機の設計点圧力より数倍高い圧力で圧縮機を始動させることもあるなど、始動運転時のプロセス条件は様々である。圧縮機の始動運転時の必要駆動トルクは、圧縮機周辺プロセスの状態（圧力・温度・流量など）にも左右される。特に高い圧力での始動は、必要駆動トルクが増大するので、通常の運転条件を想定して選定したトルク容量のモータではオーバートルクが発生して始動不可能となるおそれもある。
【０００８】
この不具合を解消するために、始動前にガスを放出して減圧したり、特許文献２に記載のように、圧縮機の吸込側に設置したサクションスロットルバルブやインレットガイドベーンなどの開度を制御し、圧縮機の吸込圧力を調節して駆動トルクを低減している。それとともに、圧縮機の吐出側配管から吸込側配管に通じるガス配管に設置したアンチサージバルブを制御してサージングの発生を防止している。
【０００９】
しかしながら上述したように、始動時のプロセス条件が通常の設計仕様と異なる場合に、運転員の経験に基づく、サクションスロットルバルブなどによる圧力制御やアンチサージバルブを利用した流量制御によるサージング防止など、実際に使用している複雑な制御手法までを包含した運転方法にはなっておらず、運転方法としてもシミュレーション装置としてもまだ改善の余地がある。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、モータ駆動式圧縮機を有するシステムのシミュレーション装置において、起動トルク不足を解消しサージングを起こすことなく、より経済的な圧縮機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の特徴は、駆動モータと、この駆動モータで駆動される圧縮機と、この圧縮機の吸込み流量を制御する吸込み絞り弁と、この圧縮機から吐出されるガスの一部を前記圧縮機の吸込み側へ戻す配管に介在させたアンチサージバルブとを有するモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション装置において、前記圧縮機の設計仕様データが入力される入力部と、この設計仕様データを格納するデータ設定部と、このデータ設定部に格納されたデータに基づき前記圧縮機の非定常なＱ−Ｈ特性および必要駆動トルクを計算可能なシミュレーション部と、このシミュレーション部がシミュレーションした非定常なＱ−Ｈ特性および必要駆動トルク結果を表示する表示部とを備えることにある。
【００１２】
そしてこの特徴において、前記シミュレーション部は、前記駆動モータを数値モデル化した駆動モータユニットモデルと、前記圧縮機を数値モデル化した圧縮機ユニットモデルと、前記吸込み絞り弁を数値モデル化した吸込み絞り弁ユニットモデルと、前記アンチサージバルブを数値モデル化したアンチサージバルブユニットモデルと、前記アンチサージバルブと前記圧縮機の吸込み側の間に設けた熱交換器を数値モデル化した熱交換器ユニットモデルと、前記アンチサージバルブを制御するアンチサージバルブコントローラを数値モデル化したアンチサージバルブコントローラユニットモデルを備え、前記圧縮機ユニットモデルは前記圧縮機の作動点と必要駆動トルクを非定常に算出し、前記駆動モータユニットモデルは、前記駆動モータのトルク特性曲線と前記圧縮機の必要駆動トルク計算結果から前記圧縮機の非定常な挙動を算出するのが好ましい。
【００１３】
また上記特徴において、前記シミュレーション部は、算出した圧縮機作動点と必要駆動トルクの非定常挙動から前記圧縮機の始動運転時の作動点と必要駆動トルクを求め、前記駆動モータのトルクマージンと前記圧縮機のターンダウンが予め定めた許容値以下か否かを判断する判断手段を有するのが望ましい。
【００１４】
さらに、シミュレーション部が有する前記圧縮機ユニットモデルは、以下の式３ないし式６で表される数値モデルを有し、前記駆動モータユニットモデルは以下の式７で表される数値モデルを有し、前記吸込み絞り弁ユニットモデルは以下の式８で表される数値モデルを有し、前記アンチサージバルブユニットモデルは、以下の式９に示す数値モデルを有していてもよい。
【００１５】
【数１】
0005514047.tif 000002
【００１６】
【数２】
0005514047.tif 000003
【００１７】
【数３】
0005514047.tif 000004
【００１８】
【数４】
0005514047.tif 000005
【００１９】
【数５】
0005514047.tif 000006
【００２０】
【数６】
0005514047.tif 000007
【００２１】
【数７】
0005514047.tif 000008
ここで、添え字１は入り口を、添え字２は出口を表す（以下同じ）。
【００２２】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、駆動モータと、この駆動モータで駆動される圧縮機と、この圧縮機の吸込み流量を制御する吸込み絞り弁と、この圧縮機から吐出されるガスの一部を前記圧縮機の吸込み側へ戻す配管に介在させたアンチサージバルブとを有するモータ駆動式圧縮機システムのシミュレーション方法であって、前記モータ駆動式圧縮機システムを構成する各構成要素を数値モデルを含むユニットモデル化し、このユニットモデル化した各構成要素について非定常な挙動を計算し、この計算結果から前記圧縮機の始動時の非定常な作動点および必要駆動トルクの挙動を求め、その結果から前記駆動モータのトルクマージンと前記圧縮機のターンダウンが予め定めた許容値以下か否かを定め、この圧縮機の始動の可否を判断することにある。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、モータ駆動式圧縮機を有するシステムのシミュレーション装置において、圧縮機システムの始動運転における非定常状態をシミュレート可能にしたので、起動トルク不足を解消しサージングを起こすことなく、より経済的な圧縮機システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るシミュレーション装置の一実施例のブロック図。
【図２】図１に示したシミュレーション装置の動作フローチャート。
【図３】図１に示したシミュレーション装置が模擬対象とする圧縮機システムのブロック図。
【図４】図１に示したシミュレーション装置によるシミュレーション結果の一例を示すグラフ。
【図５】図１に示したシミュレーション装置によるシミュレーション結果の一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係るシミュレーション装置の一実施例を、図面を用いて説明する。本実施例では、図３で示したターボ圧縮機システム４００をシミュレーションする場合を例にとるが、この図３のシステムに本発明が限定されないことは言うまでもない。
【００２６】
一軸多段形の遠心圧縮機４０３は、増速機または減速機を介して駆動モータ４１１に接続されている。圧縮機４０３の吸込側配管４０２には、吸込み絞り弁４０１が取り付けられている。圧縮機４０３の吐出側配管４０４から分岐して戻り配管が取り付けられている。戻り配管は、下流側戻り配管４０５と上流側戻り配管４０８とからなる。上流側戻り配管４０８は、吸込側配管４０２の吸込み絞り弁４０１取り付け部よりも上流側で、吸込側配管４０２から分岐している。上流側戻り配管４０８と下流側戻り配管４０５の間には、上流側戻り配管側４０８から順に、熱交換器４０７とアンチサージバルブ４０６が接続されている。
【００２７】
吸込み側配管４０２の吸込み絞り弁４０１と圧縮機４０３の間には、圧力検出器ＰＴ１が取り付けられており、この圧力検出器ＰＴ１の出力は吸込み絞り弁コントローラ４０９に入力される。吸込み絞り弁コントローラ４０９は、この圧力検出器ＰＴ１の出力に基づいて、吸込み絞り弁４０１の開度を調整する。
【００２８】
さらに、吸込み側配管４０２の上記圧力検出器ＰＴ１の取り付け位置よりも吸込み絞り弁４０１側（上流側）には、他の圧力検出器ＰＴ２と温度検出器ＴＴ２が取り付けられている。一方、圧縮機４０３の吐出側配管４０４の途中であって、下流側分岐配管４０５よりも圧縮機４０３側(上流側)にも、圧力検出器ＰＴ３と温度検出器ＴＴ３が取り付けられている。
【００２９】
圧力検出器ＰＴ２，ＰＴ３および温度検出器ＴＴ２，ＴＴ３の出力は、アンチサージバルブコントローラ４１０に入力される。アンチサージコントローラ４１０は、これら圧力検出器ＰＴ２，ＰＴ３，温度検出器ＴＴ２，ＴＴ３の出力に基づいて、アンチサージバルブ４０６の開度を制御する。なお、この図３においては、戻り配管の上流側分岐部よりも上流側および下流側分岐部よりも下流側については、記載を省略している。
【００３０】
次にこのように構築した電動機駆動のターボ圧縮機を有する圧縮機システム４００の動作をシミュレーションするシミュレーション装置１について、図１のブロック図および図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３１】
初めに、本実施例の概要を述べる。圧縮機システム４００に関する運転条件データおよび後述する構成要素の仕様や特性データは、データ設定部５０から設定可能になっている。駆動モータ４１１のトルクマージンおよび圧縮機作動点（ターンダウン）の予測結果などをグラフ化して表示するために、表示部３０が設けられている。
【００３２】
また、本シミュレーション装置１では、対象となる圧縮機システム４００が構成要素ごとに分けられており、各構成要素を数値モデル化してユニットモデル４０１ａ〜４１１ａとして記述し、これら各構成要素の相互の接続関係を含めてシミュレーション部４０に格納している。なお、各ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａは、幾何学的形状のみならず、内部を流通するガスの状態量等のデータも有している。したがって、シミュレーション部４０は、圧力や温度、流量などこの圧縮機システム４００内のガス流動状態をシミュレーションできる。
【００３３】
つまり、モータ駆動式の圧縮機システム４００の運転状態をシミュレーションする者が、始動運転時の圧力や温度などの運転条件データや、圧縮機システム４００を構成する配管の寸法や圧縮機４０３の特性データなどの機器仕様データを入力すると、シミュレーション部４０が圧縮機４０３の作動点や必要駆動トルク、回転数挙動、システムの圧力、温度、流量などのガス流動状態を計算する。計算された作動点や駆動トルク、回転数挙動、ガス流動状態から、シミュレーション対象の圧縮機システム４００の駆動モータ４１１のトルクマージンや、圧縮機４０３の始動過程での作動点履歴およびターンダウンが計算され、表示部３０に結果が出力される。
【００３４】
なお、シミュレーション部４０とデータ設定部３０とは、計算機２０に内蔵されている。その形態は、演算プログラムであり、計算機２０が有する記憶手段に予め記憶されていてもよいし、必要時に外部記憶手段からアップロードするようにしてもよい。
【００３５】
次に、本シミュレーション装置１の詳細を、以下に説明する。本シミュレーション装置１は、入力部１０からシミュレーション対象の圧縮機システム４００の設定入力条件が入力されると、計算機２０が、入力条件に沿って圧縮機システム４００に関する運転状態を計算する。例えば、始動運転について計算する場合には、圧縮機システム４００について、圧縮機４０３の回転数が０の静止時から定格運転までの非定常計算を行い、表示部３０に計算結果を出力する。入力部１０は、例えばキーボードやマウスであり、表示部３０は、例えばモニタなどである。
【００３６】
入力部１０から入力される設定入力データは、例えば、圧縮機システム４００を構成する各機器４０１〜４１１の仕様データや圧縮機システム４００の内部を流れるガスの物性データ、圧縮機システム４００のシミュレーションを実行する際のプロセス条件データである。さらに詳しくは、機器仕様データとして、圧縮機４０３の設計仕様データ、配管４０２，４０４，４０５，４０８の仕様データ、熱交換器４０７の仕様データ、吸込み絞り弁４０１の仕様データ、アンチサージバルブ４０６の仕様データ、駆動モータ４１１の仕様データ、吸込み絞り弁コントローラ４０９の仕様データ、アンチサージバルブコントローラ４１０の仕様データが含まれる。
【００３７】
圧縮機４０３の設計仕様データは、定格回転数や定格回転数時における吸込流量とポリトロープヘッドとの関係を示すＱ−Ｈ特性曲線、定格回転数時における吸込流量とポリトロープ効率との関係を示す効率曲線、圧縮機４０３のサージング限界を示すサージライン、圧縮機４０３の回転部分であるロータの慣性モーメントである。
【００３８】
配管４０２，４０４，４０５，４０８の仕様データは、配管の長さや配管径である。また、熱交換器４０７の仕様データは、熱交換容量や設計入口温度、設計出口温度等である。吸込み絞り弁４０１の仕様データとアンチサージバルブ４０６の仕様データは、バルブ開度と流量の関係を示す固有流量特性、各バルブ４０１，４０６が指令信号を受けてから実際に動作開始するまでの時間であるむだ時間、および各バルブ４０１，４０６が全閉状態から全開状態まで動作するのに要する時間であるフルストローク動作時間、各バルブ４０１，４０６の流量係数Ｃｖ値である。
【００３９】
駆動モータ４１１の仕様データは、モータ４１１の回転数とトルクの関係で示されるトルク特性曲線、モータ４１１の定格回転数、モータ４１１の動力を圧縮機４０３に伝達する伝達機構を構成する減速機あるいは増速機、カップリング、シャフトなどの回転部分の慣性モーメント、減速機あるいは増速機の減速比あるいは増速比である。吸込み絞り弁コントローラ４０９およびアンチサージバルブコントローラ４１０の仕様データは、各バルブ４０１，４０６の開度をＰＩＤ制御する際のＰＩＤのチューニングゲインなどである。
【００４０】
圧縮機システム４００の内部を流れるガスの物性データは、ガスの組成や平均分子量、エンタルピデータ、圧縮係数データなどである。ここで、圧縮係数とは、実在ガスの状態方程式を、Ｐ＝ＺρＲＴで表すときの補正係数Ｚである。ここで、Ｐは圧力(Ｐａ)、Ｚは圧力係数、ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｒはガス定数（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、Ｔは温度（Ｋ）である。
【００４１】
圧縮機４０３の動作シミュレーションを行う際のプロセス条件データは、プロセス配管のアレンジ、アンチサージバルブ４０６、吸込み絞り弁４０１の配置、圧縮機４０３のグループ構成などのシステム構成や、圧縮機４０３の静止状態(始動時)におけるガス圧力および温度条件である。
【００４２】
具体的には、プロセス配管のアレンジは、プロセス配管の分岐や合流の位置など、圧縮機の吸込みガスおよび吐出ガスの経路を表す配管構成であり、吸込み絞り弁４０１の配置とは、ガスの経路において、圧縮機の吸込み口または吐出口からどれだか離れたところに設置されているかである。また、システム構成とは、例えば、圧縮機が単段の圧縮段しか有していないか、直列接続された複数段から構成されているか、並列接続された複数段から構成されているか、等の区分である。
【００４３】
入力部１０からは、シミュレーション部４０の機能データも設定される。この設定内容としては、シミュレーション対象の圧縮機システム４００の機器構成にしたがって配管ユニットモデルなどの機器ユニットモデルを組み合わせることが含まれる。具体的には、シミュレーションの対象となるプラントの機器構成に従い、サブルーチンプログラムで表した機器ユニットモデルをメインプログラム上に構成することである。
【００４４】
次に、シミュレーション部４０の詳細を説明する。シミュレーション部４０は、圧縮機システム４００が有する各構成要素４０１〜４１１に対応したユニットモデル４０１ａ〜４１１ａを有している。各ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａはプログラムとして計算機２０に格納されており、ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａごとにサブルーチン化している。
【００４５】
圧縮機４０３周辺の配管内４０２、４０４、４０５、４０８を流動するガスの非定常状態をモデル化して配管ユニットモデル４０２ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０８ａが構成されている。熱交換器４０７をモデル化して熱交換器ユニットモデル４０７ａが構成されている。圧縮機４０３の吸込流量に応じて開度制御されるアンチサージバルブ４０６を数式モデル化してアンチサージバルブユニットモデル４０６ａが構成されている。
【００４６】
圧縮機４０３の作動点と必要駆動トルクの非定常状態をモデル化して圧縮機ユニットモデル４０３ａが構成されている。駆動モータ４１１の回転数−トルク特性と圧縮機ユニットモデル４０３ａによる必要駆動トルク計算結果から圧縮機４０３の回転数挙動を算出するように、モータユニットモデル４１１ａとが構成されている。
【００４７】
圧縮機４０３の吸込圧力に応じて開度制御される吸込み絞り弁４０１をモデル化して、吸込み絞り弁ユニットモデル４０１ａが構成されている。吸込み絞り弁４０１とアンチサージバルブ４０６の開度制御指令信号を生成して各バルブ４０１，４０６が有するバルブアクチュエータに出力するバルブコントローラ４０９，４１０を数式モデル化してバルブコントローラユニットモデル４０９ａ、４１０ａが構成されている。
【００４８】
シミュレーション部４０内の各ユニットモデルを結ぶ実線は、プロセスガスの圧力や温度などの状態量を伝達するラインであり、破線は制御信号や電気的信号を伝達するラインである。上記したように、シミュレーション部４０の各ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａは、圧縮機システム４００を構成する各機器４０１〜４１１の数式モデルとして表される。
【００４９】
さらに具体的には、配管４０２、４０４、４０５、４０８の数式モデルである配管ユニットモデル４０２ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０８ａは、式１に示す連続の式および式２に示すエネルギ保存則で表される。
【００５０】
【数８】
0005514047.tif 000009
【００５１】
【数９】
0005514047.tif 000010
圧縮機４０３の数式モデルである圧縮機ユニットモデル４０３ａは、式３に示すポリトロープヘッド計算式および式４に示す吸込流量計算式、式５に示すポリトロープ効率計算式、式６に示す圧縮機必要駆動トルク計算式で表される。
【００５２】
【数１０】
0005514047.tif 000011
【００５３】
【数１１】
0005514047.tif 000012
【００５４】
【数１２】
0005514047.tif 000013
【００５５】
【数１３】
0005514047.tif 000014
駆動モータ４１１の数式モデルである駆動モータユニットモデル４１１ａは、式７に示すトルク釣り合い式で表される。
【００５６】
【数１４】
0005514047.tif 000015
吸込み絞り弁４０１およびアンチサージバルブ４０６の数式モデルである吸込み絞り弁ユニットモデル４０１ａおよびアンチサージバルブユニットモデル４０６ａは、式８に示す流量計算式で表される。
【００５７】
【数１５】
0005514047.tif 000016
熱交換器４０７の数式モデルである熱交換器ユニットモデル４０７ａは、式９に示す熱量計算式で表される。
【００５８】
【数１６】
0005514047.tif 000017
吸込み絞り弁コントローラユニットモデル４０９ａは、吸込み絞り弁４０１を固定開度に制御するか、または吸込側配管４０２の圧力に応じた開度に制御する。アンチサージバルブコントローラユニット４１０ａは、式４で求めた圧縮機４０３の吸込流量と、圧縮機４０３の吸込側配管４０２および吐出側配管４０４のガス圧力と温度を用いて、式３で計算したポリトロープヘッドをコントローラユニット４１０ａの入力値とし、サージコントロールライン２２１（図４参照)に応じてアンチサージバルブ４０６を制御する。ここで、図４に示すように、サージコントロールライン２２１は、圧縮機４０３のサージリミットライン２０２における流量よりもサージコントロールマージンＳｍ分だけ増加させた流量におけるポリトロープヘッドを、回転数ごとに求めて結んだ線である。
【００５９】
このように構成したシミュレーション部４０は、設定入力データであるプロセス条件データをシミュレーション時刻０における結果として表示部３０に表示する。また、機器ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａである各数式モデルを用いて、シミュレーション時間ステップごとに演算し、演算結果を合わせて表示部３０に表示する。表示される演算結果の例としては、各機器４０１〜４１１におけるガスの圧力や温度、流量、圧縮機の回転数がある。
【００６０】
なお、データ設定部５０は、入力部１０から入力される設定入力データとしての圧縮機システム４００を構成する各機器４０１〜４１１の仕様データや圧縮機システム４００の内部を流れるガスの物性データ、圧縮機システム４００をシミュレーションする際のプロセス条件データを記憶する。
【００６１】
以上のように構成した本シミュレーション装置１において、圧縮機の始動可否の判定をシミュレーションする場合について、図２を用いて説明する。図２は、本実施例の圧縮機システム４００について、始動運転可否を判断するフローチャートである。ステップＳ１０では、入力部１０から、運転条件データおよび機器仕様データなどの設定入力データを入力する。本実施例では、設定入力データとして、各機器４０１〜１１の仕様データのほか、始動運転時の圧力や温度等のプロセス条件データを入力する。
【００６２】
次にステップＳ２０では、ステップＳ１０で入力した設定入力データを、データ設定部５０に記憶させる。ステップＳ３０では、始動運転の可否を判断する圧縮機システム４００の構成を、入力部１０からシミュレーション部４０へ設定する。すなわち、図３に示した構成図にしたがって、図１に示すように、各機器の構成ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａの組み合わせとして圧縮機システムモデル４００ａを構成する。
【００６３】
ここで上述したように、吸込み絞り弁ユニットモデル４０１ａは、圧縮機４０３の吸込圧力および流量に応じて開度制御するバルブ４０１、配管ユニットモデル４０２ａは吸込み絞り弁４０１を通過したガスを圧縮機４０３に導く配管４０２、圧縮機ユニットモデル４０３ａは圧縮機４０３、配管ユニットモデル４０４ａは圧縮機４０３により昇圧されたガスを下流プロセスに導く配管４０４、配管ユニットモデル４０５ａは配管４０４から分岐して圧縮機４０３の吸込側へガスをリサイクルさせる配管４０５、アンチサージバルブユニットモデル４０６ａは圧縮機４０３の吸込流量に応じて開度制御されリサイクル量を調節するアンチサージバルブ４０６、熱交換器ユニットモデル４０７ａはガスを冷却するガスクーラ４０７、配管ユニットモデル４０８はガスを再度圧縮機４０３の吸込側に合流させる配管４０８、バルブコントローラユニット４０９ａ、４１０ａは吸込み絞り弁４０１、アンチサージバルブ４０６の開度を制御するコントローラ４０９、４１０、駆動モータユニット４１１ａは圧縮機４０３を駆動するモータ４１１、をそれぞれ模擬している。
【００６４】
ステップＳ４０では、ステップＳ２０で格納された設定入力データをデータ設定部５０から読み出す。ステップＳ５０では、ステップＳ４０で読み出した設定入力データを用いて、ステップＳ３０で構築されたシミュレーション部４０について、シミュレーション演算する。その際、シミュレーション時間ステップごとに、各機器ユニットモデル４０１ａ〜４１１ａについての数学モデルにしたがって、演算を実行する。そして、ステップＳ６０で、ステップＳ５０の計算結果を表示部３０に表示する。
【００６５】
図４に、図３に示した圧縮機システム４００について、圧縮機の吸込流量Ｑｓとポリトロープヘッドｈｐｏｌの関係であるＱ−Ｈ特性を求めた結果の一例を、Ｑ−Ｈ線図２００で示す。図５に、図３に示した圧縮機システム４００について、圧縮機４０３の必要駆動トルクおよび駆動モータ４１１のトルク特性を求めた例を、回転数―トルク線図３００で示す。ここで、圧縮機４０３の必要駆動トルクは演算で求めており、駆動モータ４１１のトルク特性はカタログ値等の既定値を用いている。
【００６６】
図４において、Ｑ−Ｈ特性曲線２０１は、圧縮機４０３の運転範囲における回転数ごとのＱ−Ｈ特性である。サージリミットライン２０２は、圧縮機４０３のサージ限界を示すラインであり、チョークライン２０３は圧縮機４０３のチョーク限界を示すラインである。図５において、ライン３０１は駆動モータ４１１のトルク線図である。
【００６７】
図４および図５の計算例は、次のような運転状態を示している。シミュレーション時刻０秒において、駆動モータ４１１および圧縮機４０３は静止状態にある。図４では、圧縮機４０３の初期作動点２１１が原点（０、０）にあることを示している。図５では、初期作動点３１１では必要駆動トルクとして、静止摩擦分のトルクが必要なことを示している。
【００６８】
シミュレーションを継続すると、シミュレーションにおいて駆動モータ４１１がスタートする。それに伴い圧縮機４０３は次第に昇速し、定格回転数に到達する。図４に示したＱ−Ｈ線図２００で、作動点は原点（０、０）から曲線２１７に沿って１００％回転数のＱ−Ｈ特性曲線２０１上の作動点２１２に到達する。このとき、図５に示した必要駆動トルクは回転数の昇速とともに曲線３１７のように変化し、最終的にモータ４１１の駆動トルク値と等しい作動点３１２で、同期速度に達する。
【００６９】
ステップＳ７０で、ステップＳ６０で時間刻みに表示した圧縮機４０３の作動点のターンダウン２１３と、必要駆動トルクに対する駆動モータ４１１のトルクマージン３１３を求める。ここで、ターンダウンは、Ｓｔｄ（％）＝（１−Ｑｔｄ／Ｑ）×１００で表される量Ｓｔｄであり、圧縮機４０３の作動点における流量から、サージング限界流量までのガス量変化の割合である。なお上式におけるＱｔｄはサージング限界ガス流量であり、Ｑは作動店のガス流量である。ターンダウンの最小値とトルクマージンの最小値が、共に圧縮機設計で定める許容最小値よりも大きければ、ステップＳ１０で設定した圧縮機システム４００は始動運転が可能であるとシミュレーション部４０に付設またはシミュレーション部４０に内蔵した判断手段４１が判定する。
【００７０】
これとは異なり、例えば吸込み絞り弁４０１の開度を過小にしてシミュレーションを実行すると、図５に示す必要駆動トルクは曲線３１７から曲線３１４に低減し、トルクマージンＴｍ１からＴｍ２へと増大する。一方、圧縮機４０３の図４に示す作動点は、曲線２１７から曲線２１４へと小流量側に移動し、ターンダウン２１５が小さくなる。他の例として、吸込み絞り弁４０１の開度を過大にしてシミュレーションを実行すると、圧縮機４０３の図４に示す作動点は、曲線２１７から曲線２１６大流量側を移るが、図５に示す必要駆動トルクは曲線３１８となり、作動点３１６においてモータ４１１の駆動トルク３０１よりも過大になる。したがって、圧縮機４０３の定格回転数に到達することができない。
【００７１】
以上の２つの例は、ともにシミュレーション結果が良好でない事例であり、前者は圧縮機４０３のターンダウンの許容最小値が確保されない場合であり、後者はトルクマージンの許容最小値が確保されない場合である。このような結果が得られた場合には、ステップＳ１０で設定した圧縮機システム４００では、圧縮機４０３を始動することが不適であると判断する。
【００７２】
以上、吸込み絞り弁とアンチサージバルブとモータ駆動式の圧縮機とを備えた圧縮機システムについて、吸込み絞り弁の開度調節を伴う圧縮機の始動運転をシミュレーションした。本実施例によれば、実運転上考えられるプロセス圧力条件の相違や各種バルブ制御および操作を考慮して、圧縮機システムをシミュレーションしているので、圧縮機始動運転等の非定常状態においても、オーバートルクを回避できまたサージングの発生を防止できる。したがって、圧縮機システムが備えるモータ駆動式圧縮機の始動可否を事前に判断できる。
【００７３】
また、圧縮機システムの構成機器をユニットモデル化して圧縮機システムをシミュレーションしているので、構成機器やガスの条件等が変わっても、ユニットモデルの変更で対応でき、シミュレーション部の構成を自由に変更できる。これにより、様々な構成のシステムについて、非定常な挙動を考慮したシミュレーションが可能になる。
【００７４】
なお、上記実施例では、始動運転について説明したが、始動運転以外の過渡現象等についても、同様に実施できることは言うまでもない。また、圧縮機システムの構成は、モータ駆動式圧縮機を用いるものであれば、どのような構成であってもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１…シミュレーション装置、１０…入力部、２０…計算機、３０…表示部、４０…シミュレーション部、４１…判断手段、５０…データ設定部、２００…Ｑ−Ｈ線図、２０１…Ｑ−Ｈ特性曲線、２０２…サージリミットライン、２０３…チョークライン、２１１…初期作動点、２１２…作動点、２１３…ターンダウン、２１４…作動曲線、２１５…ターンダウン、２１６…作動曲線、２１７…作動曲線、２２１…サージコントロールライン、３００…回転数−トルク線図、３０１…モータトルク線図、３１１…初期作動点、３１２…必要駆動トルク、３１４…必要駆動トルク線図、３１６…オーバートルク、３１７、３１８…必要駆動トルク線図、４００…圧縮機システム、４００ａ…圧縮機システムモデル、４０１…吸込み絞り弁、４０１ａ…吸込み絞り弁ユニットモデル、４０２…吸込み配管、４０２ａ…吸込み配管ユニットモデル、４０３…圧縮機、４０３ａ…圧縮機ユニットモデル、４０４…吐出配管、４０４ａ…吐出配管ユニットモデル、４０５…下流側戻り配管、４０５ａ…下流側戻り配管ユニットモデル、４０６…アンチサージバルブ、４０６ａ…アンチサージバルブユニットモデル、４０７…熱交換器、４０７ａ…熱交換器ユニットモデル、４０８…上流側戻り配管、４０８ａ…上流側戻り配管ユニットモデル、４０９…吸込み絞り弁コントローラ、４０９ａ…吸込み絞り弁コントローラユニットモデル、４１０…アンチサージバルブコントローラ、４１０ａ…アンチサージバルブコントローラユニットモデル、４１１…駆動モータ、４１１ａ…駆動モータユニットモデル、ＰＴ…圧力検出器、Ｓｍ…サージマージン、Ｔｍ１、Ｔｍ２…トルクマージン、ＴＴ…温度検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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